王 啟 光

(河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000)

基于BIM技術的隧道淺埋暗挖法開挖方案的優(yōu)化分析

王 啟 光

(河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000)

針對某市某地鐵隧道開挖施工方案的研究，文章采用BIM技術從定性和定量的角度,分析比較了在兩種開挖方式下，隧道的圍巖穩(wěn)定性、工藝難度、施工進度以及材料消耗量等的差異，從而優(yōu)化選擇全斷面開挖方案，并通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，驗證了方案的合理性。

CD法；全斷面法；監(jiān)控量測；BIM

工程實踐中，齊衛(wèi)濤[1]針對下穿隧道施工過程中產(chǎn)生的路面大幅沉降現(xiàn)象，通過對地面沉降、隧道拱頂下沉和水平凈空收斂進行監(jiān)控量測和數(shù)據(jù)分析,繪制環(huán)城高速地面沉降和拱頂下沉歷時曲線并進行回歸分析,提出相應的施工措施,為隧道施工提供科學依據(jù)。何政[2]對比了隧道在CD法和全斷面法施工條件下地層的變化情況，采用3維有限元分析的方法，分析在隧道開挖過程中對于地表沉降、襯砌變形、管線變形的影響。在此基礎上，肖堯[3]針對山城重慶的特殊地質(zhì)條件以及城市地鐵開挖的特點，研究分析了適合重慶地區(qū)的地鐵隧道開挖方法，也為其他城市地鐵修建提供了相應的參考。趙華英[4]將建筑信息模型(Building Information Modeling，簡稱：BIM)技術和監(jiān)控量測進行了結合，應用于基坑安全監(jiān)測方面，探索出了5D監(jiān)測技術，使得監(jiān)測工作變得更加直觀、準確和快捷。

隧道設計者從其設計角度出發(fā)，在Ⅲ級和Ⅳ級圍巖修建地鐵隧道時，側(cè)重于安全角度更多采用雙側(cè)壁導坑法、臺階法和CD法，而施工單位在綜合安全、進度和材料各方面因素條件下經(jīng)常選擇只在洞口采用以上方法，一旦進入洞身就逐步改為全斷面[5]，針對這種施工情況，本文借助于BIM技術并結合某市地鐵5號線大龍山～大壩山區(qū)間(簡稱：大大區(qū)間)隧道工程案例，進行綜合對比研究，分別從定性和定量兩個角度，對兩個方案進行論證比較，以期從中得到較優(yōu)的開挖方案，對類似工程問題的處理提供一定的幫助。

1 開挖方案設計

某市地鐵大大區(qū)間隧道全長430.95 m，基于新奧法原理，采用鉆爆法施工。區(qū)間右線隧道YCK23+931.41～YCK24+179.00段為單洞雙線段隧道，埋深在21.60 m～35.00 m之間，屬于淺埋暗挖隧道，圍巖以紫紅色、暗紅色泥巖、粉質(zhì)砂巖為主，夾青灰色、灰白色中厚至厚層狀砂巖，由上而下依次為第4系全新覆蓋層(Q4 ml)、殘坡積層(Q4el+dl)和侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2S)沉積巖層。根據(jù)隧道埋深和地質(zhì)情況，設計給出CD法和全斷面法兩種施工方案。

2 方案對比

在大大區(qū)間隧道段，基于新奧法原理，分別有全斷面法和CD法兩種開挖方案。為了充分比選兩種方案，本文借助于BIM這一工具，通過建立信息化的BIM參數(shù)平臺模型，從而能夠直觀、準確、快捷地查看模型信息，對隧道所通過的圍巖情況有一個直觀的了解。在平臺模型中，通過將CD法和全斷面法進行虛擬施工展示，然后從定性和定量的角度比較兩種施工方案的優(yōu)缺點，進而對實際施工給予指導意見。

2.1 定性比較

2.1.1 圍巖等級

圖1 大大區(qū)間隧道整體三維地質(zhì)模型

新奧法主要是利用圍巖本身的承載能力并加上開挖過后形成的襯砌共同保證隧道的安全，所以圍巖情況的好壞對于隧道施工安全有很大的影響。大大區(qū)間隧道整體三維地質(zhì)模型如圖1所示。通過對其進行多剖面多角度的觀察，分析得到巖體的構造情況，節(jié)理的發(fā)育完整程度以及斷裂層的寬度等信息，最終判斷大大區(qū)間所經(jīng)過的圍巖為Ⅲ級～Ⅳ級圍巖，則全斷面法和CD法均可采用。

2.1.2 穩(wěn)定性

利用BIM技術的可視性和模擬性，在模型平臺上模擬不同開挖方式，真實再現(xiàn)兩種方案的施工順序與特點，比較發(fā)現(xiàn)全斷面法由于開挖面和每次爆破面積較大，不利于圍巖穩(wěn)定性，而CD法各部開挖及支護工序為自上而下，步步成環(huán)，各分部能及時封閉，綜合比較CD法比全斷面法在穩(wěn)定性上更好一些，更適合在一些對地表土體沉降要求嚴格的工程中，全斷面法和CD法的開挖展示分別如圖2和圖3所示。

圖2 全斷面法開挖展示

圖3 CD法開挖展示

2.1.3 施工難度

在施工難度方面，全斷面法與CD法相比主要有兩個優(yōu)勢：首先施工由于其工序少，相互干擾小，更便于施工組織管理；其次有較大的作業(yè)空間，有利于采用大型配套機械化作業(yè)。因此，在保證隧道安全的前提下，應當優(yōu)先采用全斷面法進行施工。

2.2 定量分析

2.2.1 工程進度

結合現(xiàn)場的地質(zhì)情況，根據(jù)CD法和全斷面法兩種施工工藝的不同，設計采用CD法和全斷面法的施工日進度分別為2.40 m/d和3.00 m/d，單洞雙線段全長約247.59 m，考慮到實際施工情況及其它因素，開挖工期經(jīng)過計算理論上能提前23 d左右。

2.2.2 材料消耗

在施工組織設計中，CD法每榀需要約726.92 kg的I16工字鋼，連接件298.22 kg,中壁臨時鋼架工字鋼及連接件0.22 t，混凝土1.78 m3，因為每榀長度為60 cm，所以CD法初期支護階段鋼筋用量為538.58 t，混凝土用量2 601.31 m3(不包含超欠挖回填量)。全斷面法與CD法襯砌結構采用了除中壁臨時支撐之外相同的結構，則全斷面所消耗的鋼筋用量為447.10 t，混凝土用量1 866.81 m3。CD法與全斷面對比如表1所示。

表1 CD法與全斷面法對比

從表1的對比分析可以看出，在隧道開挖過程中，全斷面法能夠充分利用隧道空間，使用大型高效的機械設備，提高施工速度；其次還能充分發(fā)揮深孔爆破的優(yōu)勢，斷面一次成型，所以施工組織與管理比較簡單；配套的通風、運輸、排水等輔助工作及各種管線鋪設工作都相對比較便利。CD法相比全斷面則在穩(wěn)定性、收斂控制方面更具有優(yōu)勢。在實際現(xiàn)場施工中，初步選定全斷面法，但這種只是參考已建工程的參數(shù)指導和理論基礎，仍需要通過使用專用的設備、儀器，對圍巖和支護結構的變形、受力情況進行觀測，并最終給出其安全性和穩(wěn)定性的評價。

3 監(jiān)測驗證

監(jiān)控量測工作是監(jiān)視設計、施工是否正確的眼睛，是判斷圍巖是否安全穩(wěn)定的手段，通過監(jiān)控量測了解大大區(qū)間段地層與支護結構的動態(tài)變化，將全斷面開挖時所獲得的數(shù)據(jù)處理、分析。針對采取工程措施來控制地表下沉，了解施工過程中結構所處的安全狀態(tài)，確保地面交通順暢和地面建筑物的正常使用。現(xiàn)場實測的結果可以補充理論分析過程中存在的不足，指導施工，為后續(xù)開挖提供依據(jù)。

3.1 監(jiān)控內(nèi)容

選取YCK24+179到YCK24+159段做右線全斷面試驗段，主要監(jiān)測對象分別是地面沉降、地面建筑物、隧道收斂、拱頂下沉4個項目。監(jiān)測點的具體布設可根據(jù)實際情況作相應調(diào)整，監(jiān)測點垂直分布于軸線區(qū)域沿隧道軸線每5 m～10 m一個斷面，每斷面3～5對測點，監(jiān)測基點埋設在沉降影響范圍以外的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。大大區(qū)間上部地表建筑物主要有6棟，分別將其標記為J1-1～J1-6，如圖4所示。

圖4 建筑物監(jiān)測圖

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析

在隧道開挖的過程中，現(xiàn)場監(jiān)測人員對4個項目進行定期監(jiān)測，然后將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控量測BIM信息平臺，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理分析，可以得到各個監(jiān)測項目的沉降曲線，如圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖5 建筑物沉降量累計監(jiān)測值

圖6 地表沉降量累計監(jiān)測值

從圖5中建筑物3個監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，在監(jiān)控初期，建筑物沉降率較大，后隨著開挖支護完成，圍巖開始漸漸趨于穩(wěn)定而逐步減小，直至趨于穩(wěn)定。測點的曲線變化經(jīng)歷了快速增長階段和緩慢趨穩(wěn)兩個階段，歷時55 d后地表穩(wěn)定，累計變形總量為13.35 mm小于黃色預警值14 mm[7]，為安全狀態(tài)。從圖6地表沉降量累計監(jiān)測值看出，在隧道開挖初期地表下沉速率較大，然后速率減小開始緩慢沉降直到2015年4月27日開始趨于穩(wěn)定，大部分沉降量在2015年3月2號到4月27號之間完成，且累計變形量占總變形的80%～90%，累計變形最大量為7.42 mm略高于黃色預警值(7 mm)但小于橙色預警值(8.5 mm)[7]，則地表沉降量仍在安全范圍內(nèi)。

圖7 區(qū)間收斂量累計監(jiān)測值圖

圖8 拱頂沉降量累計監(jiān)測值

從圖7區(qū)間收斂量累計監(jiān)測值觀察，其曲線變化呈“拋物線”型。測線總的變化趨勢分為快速增長階段、緩慢增長階段和逐漸趨于穩(wěn)定3個階段。在隧道開挖之初，圍巖收斂明顯，開挖30 d后收斂就基本趨于穩(wěn)定，其中SL24+170和SL24+175收斂量為7.11 mm，SL24+165收斂量為6.24 mm，均在安全范圍內(nèi)。從圖8可以看出，監(jiān)控初期，拱頂下沉速率較快，下沉量在2015年5月9日為11.3 mm～13.5 mm之間，占總下沉量的60%左右，隨后下沉速率減小并在5月30以后逐漸趨于穩(wěn)定。拱頂最大下沉量為22.6 mm略高與黃色警戒值(21 mm)但小于橙色預警值25.5 mm，屬于安全控制范圍內(nèi)[7]。

在YCK24+179到YCK24+159段全斷面開挖試驗段，通過對地表、建筑物、拱頂和凈空等的沉降值的監(jiān)測，位移沉降量基本上都經(jīng)歷了“急速變化→緩慢變化→趨于穩(wěn)定”的3個過程。開挖初期階段，隧道圍巖內(nèi)部測點變形很小，隨著隧道開挖面的推進，各個監(jiān)測點位移開始顯著增大，且離洞周壁面最近的測點位移最大，離洞周壁面越遠位移越小。從穩(wěn)定時間和空間上看，當拱頂開挖完畢時，測點位移達最大沉降量的60%左右，當開挖面通過監(jiān)測點大約40 m時，各個位移已基本達到穩(wěn)定。將監(jiān)測值與安全值相比較發(fā)現(xiàn)均在安全范圍以內(nèi)，證明全斷面開挖是安全的，則區(qū)間隧道由CD法改為全斷面法施工方案可行。

4 結 語

目前很多隧道方案的比選單純考慮安全性因素，而忽略了對于進度和材料因素的考慮，本文運用BIM技術，結合某市大大區(qū)間隧道的水文地質(zhì)條件，將該工程設計提供的CD法和全斷面法兩種設計方案進行比較，最終確定了全斷面法為該項目最優(yōu)施工方案。通過該方法的論述，對以后的建設方案比選提供一種新的思路和方向。

[1] 齊衛(wèi)濤.淺埋暗挖CRD法下穿高速公路監(jiān)控量測分析[J].洛陽理工學院學報(自然科學版),2015,25(1):35-37+69.

[2] 何政.淺埋暗挖CD法施工改全斷面法施工的隧道計算分析[J].福建建材,2014(11):8-10.

[3] 肖堯.山城重慶地鐵開挖方法選擇[J].重慶工商大學學報(自然科學版),2014,31(6):97-100.

[4] 趙華英,葉紅華,陳陟,等.保利大廈基坑5D監(jiān)測中的新興呈現(xiàn)(Emerging)技術[J].土木建筑工程信息技術,2014,6(4):36-41.

[5] 陳宇,陶成富,李亮,等.隧道不同施工方法監(jiān)控量測分析[J].公路工程,2008,33(2):143-145.

[6] 于振振.基于監(jiān)控量測與數(shù)值模擬的隧道圍巖穩(wěn)定性分析[D].西安:西安建筑科技大學,2011:52-54.

[7] 建設部關于發(fā)布國家標準《城市軌道交通工程測量規(guī)范》的公告[J].城市道橋與防洪,2008(5):104.

Comparative Study on Construction Scheme Based on BIM Technology in Shallow Excavation Tunnel

WANG Qiguang

(Henan polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

In order to study of the construction scheme of subway tunnel excavation in Chongqing, based on qualitative and quantitative analysis, BIM technology is employed to analyze and compare the stability of surrounding rock, process difficulty, construction schedule and material consumption in two kinds of excavation ways. As a result, full section excavation scheme is optimized and the rationality of the scheme is verified by field data monitoring and analysis.

CD method; full section method; monitoring measurement; BIM

2016-11-20

王啟光(1991-)，男，河南焦作人，在讀碩士研究生，主要從事BIM技術方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.01.008

TU45

A

1674-5403(2017)01-0026-05